AIDT 온디바이스 STEM 방사광 X선 극저온 다이아몬드 질소-공공(NV) 센터 광학 검출 자기공명(ODMR) 2.87GHz 마이크로파 서보 제어기

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.DiamondNvCenter
{
    /// <summary>
    /// 다이아몬드 NV 센터 ODMR 형광 텔레메트리 상태
    /// </summary>
    public readonly ref struct NvOdmrTelemetryState
    {
        public readonly double PlusResonanceContrast;    // m_s = +1 공명 딥 대비 (0~1)
        public readonly double MinusResonanceContrast;   // m_s = -1 공명 딥 대비 (0~1)
        public readonly double PhotoluminescenceCounts;  // 광자 계수율 [kCPS]
        public readonly double DiamondSubstrateTempC;    // 다이아몬드 기판 온도 [degC]
        public readonly double GreenLaserPowerMw;        // 532nm 펌프 광 파워 [mW]

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public NvOdmrTelemetryState(
            double plusContrast, double minusContrast, double counts, double temp, double laser)
        {
            PlusResonanceContrast = plusContrast;
            MinusResonanceContrast = minusContrast;
            PhotoluminescenceCounts = counts;
            DiamondSubstrateTempC = temp;
            GreenLaserPowerMw = laser;
        }
    }

    /// <summary>
    /// NV 자력계 마이크로파 제어 명령
    /// </summary>
    public readonly ref struct NvMagnetometerCommand
    {
        public readonly double MicrowaveCenterFrequencyGhz; // 마이크로파 중심 주파수 [GHz]
        public readonly double MeasuredMagneticFieldMicroTesla; // 측정된 나노 자기장 [uT]
        public readonly double TemperatureCompensatedZfsMhz; // 온도 보정 ZFS D(T) [MHz]
        public readonly bool ResonanceLocked;               // ODMR 공명 잠금 여부

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public NvMagnetometerCommand(double mwFreq, double bField, double zfs, bool locked)
        {
            MicrowaveCenterFrequencyGhz = mwFreq;
            MeasuredMagneticFieldMicroTesla = bField;
            TemperatureCompensatedZfsMhz = zfs;
            ResonanceLocked = locked;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 10,000Hz 주기 다이아몬드 NV 센터 ODMR 자력계 서보 엔진
    /// </summary>
    public ref struct DiamondNvCenterOdmrServoEngine
    {
        private const double BaseZfsGhz = 2.870000;          // 상온 제로자기장 분열 [GHz]
        private const double TempCoeffMhzPerC = -0.074;      // 온도 계수 dD/dT [-74 kHz/K]
        private const double GyroRatioGhzPerTesla = 28.024;  // 감마_e [GHz/T]

        private double _accumulatedFieldMicroTesla;
        private double _prevContrastDiff;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public NvMagnetometerCommand CalculateServo(
            in NvOdmrTelemetryState state, double dtSeconds)
        {
            // 1. 온도 보정된 제로자기장 분열 D(T) 계산
            double deltaTemp = state.DiamondSubstrateTempC - 25.0; // 25도 기준
            double correctedZfsGhz = BaseZfsGhz + (TempCoeffMhzPerC * deltaTemp * 1e-3);

            // 2. 양방향 공명 딥 비대칭도로부터 미세 자기장 오차 검출
            double contrastDiff = state.PlusResonanceContrast - state.MinusResonanceContrast;
            double contrastDerivative = (dtSeconds > 1e-9) ? (contrastDiff - _prevContrastDiff) / dtSeconds : 0.0;
            _prevContrastDiff = contrastDiff;

            // PI 폐루프 자기장 추적
            _accumulatedFieldMicroTesla += 18.5 * contrastDiff * dtSeconds;
            _accumulatedFieldMicroTesla = Math.Clamp(_accumulatedFieldMicroTesla, -500.0, 500.0);

            double measuredFieldMicroTesla = _accumulatedFieldMicroTesla + 2.5 * contrastDiff;

            // 3. 마이크로파 중심 주파수 지령 (제만 분열 대칭점)
            double commandMwFreqGhz = correctedZfsGhz;

            // 잠금 상태 판정: 총 형광 세기 충분 및 공명 딥 정합
            bool isLocked = (state.PhotoluminescenceCounts > 50.0) && (Math.Abs(contrastDiff) < 0.03);

            return new NvMagnetometerCommand(
                commandMwFreqGhz,
                measuredFieldMicroTesla,
                correctedZfsGhz * 1000.0,
                isLocked
            );
        }
    }
}